基于SolidWorks和ANSYS的斜拉桥索梁锚固结构参数化设计与有限元分析*

郭安娜

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063)

斜拉桥索梁锚固结构是将主梁自重和主梁承受的外荷载传递给斜拉索的重要受力部件[1]。目前国内运用最为广泛的2种索梁锚固形式是锚拉板式和钢锚箱式[2-4]。下面以这2种形式结合工程实例对斜拉桥中索梁锚固结构的设计和分析展开介绍。

1 参数化设计

索梁锚固结构实际上是一种空间结构(见图1、图2)，其构造受斜拉索与顺桥向桥面夹角α和斜拉索与桥面板横桥向夹角β的控制，其中α变化范围较大，β变化范围较小，两者均与斜拉索顺桥向布置、锚固腹板倾斜角度和桥塔外形等相关。复杂的空间角度使得每根索对应的锚固结构中各种板件尺寸都不一样。如果基于AutoCAD软件对每一个锚固结构进行设计，重复性高，效率低。本文借助于三维机械CAD软件SolidWorks，实现三维参数化设计[5]。

图1 泉州湾跨海大桥锚拉板式索梁锚固结构

图2 杨泗港快速通道青菱段斜拉桥钢锚箱式索梁锚固结构

首先绘制装配体草图，定义结构的控制参数；然后以绘制的草图为截面，通过实体特征命令构建三维模型；最后从三维模型中自动产生工程图。当修改参数时，三维模型和工程图实现自动更新，帮助设计人员完成参数化可视化驱动设计。

给出2种工程实例中索梁锚固结构的设计过程，一种是泉州湾跨海大桥采用的锚拉板索梁锚固形式，该桥采用70 m+130 m+400 m+130 m+70m双塔双索面钢-混结合梁斜拉桥，全桥共72对斜拉索，梁上标准间距10.5 m，α角变化范围27.87°～77.61°，β角变化范围89.25°～92.72°，最大索力6 846 kN，锚拉板式连接是将主梁边腹板穿过顶板，与锚拉板焊接，锚拉板中部设承压板增加锚固结构的横向刚度和整体性；另一种是杨泗港快速通道青菱段40 m+88 m+252 m+88 m+40 m双塔双索面钢箱梁斜拉桥采用的钢锚箱索梁锚固形式，全桥共36对索，梁上标准间距12 m，α角变化范围28.12°～52.62°，β角变化范围84.65°～89.00°，最大索力7 767 kN，钢锚箱锚固结构组成主要包括锚垫板、承压板、连接主梁与锚箱底板的锚固板及焊接于锚固板和承压板上的各类加劲板，这些板类结构共同形成一个比较稳定的箱式结构。

图3、图4给出了2种不同形式的SolidWorks简化模型，通过驱动不同角度下的控制参数，可以完成三维模型、工程图和材料用量的自动更新，实现索梁锚固结构参数化设计。从结构构造来看，索梁钢锚箱锚固形式板件较多、构造相对复杂；锚拉板结构板件较少、构造简洁。

图3 钢锚箱SolidWorks模型

图4 锚拉板SolidWorks模型

2 有限元模型

完成参数化设计后，需重点分析结构的传力机理和受力特点。要进行精细化的局部应力分析，还需要借助专业有限元通用软件ANSYS。这里将SolidWorks软件和ANSYS软件结合起来[6-7]，SolidWorks快速精准参数化建模的特点解决了ANSYS建模能力的不足。

对钢主梁的斜拉桥索梁锚固结构进行有限元分析时，采用实体单元模拟锚固结构中的锚垫板，板壳单元模拟钢主梁和锚固结构其他构件。所以在进行有限元分析前，先借助ANSYSY SCDM工具将索梁锚固结构的SlidWorks实体模型进行中面模型的抽取，并相应保存为SAT文件，导入到ANSYS软件，对模型进行布尔运算，随后进行有限元分析。为减小边界条件对锚固区的影响，取锚固结构所在区域的一个标准梁段进行分析，主梁梁端采用固定约束，索力转化为压力形式作用于锚垫板承压面，有限元简化模型见图5、图6。

图5 钢锚箱式索梁锚固结构ANSYS模型

图6 锚拉板式索梁锚固结构ANSYS模型

3 结构的受力分析及对比

以杨泗港斜拉桥采用的索梁锚固形式为例，进行有限元分析，从图7、图8结构Von Mises应力云图来看，钢锚箱索梁锚固结构的受力机理为：索力以面荷载形式施加于锚垫板，锚垫板以端面承压形式传递给承压板，承压板将力分别传递给锚固板和腹板；锚固板上的力通过其与腹板间的熔透焊缝受剪传递给腹板；腹板上的力通过横隔板、顶板和底板，传递扩散给整个主梁。表1列出这种结构各构件最大应力值及其出现的位置，观察发现，在承压板和锚固板与腹板的焊缝处容易出现较高应力，显示最大Von Mises应力为322.46 MPa，出现在锚垫板和承压板焊缝顶部位置，大部分区域应力值小于200 MPa。

图7 钢锚箱式索梁锚固结构Von Mises应力云图一(单位：kPa)

图8 钢锚箱式索梁锚固结构Von Mises应力云图二(单位：kPa)

构件最大Von Mises应力/MPa对应位置锚固板148.4锚固板与主梁腹板焊缝顶端加劲板184.5加劲板与承压板焊接处承压板208.7与主梁腹板焊缝处锚垫板322.5与承压板焊缝顶部位置(应力集中点)

以泉州湾跨海大桥采用的索梁锚固形式为例，结构Von Mises应力云图见图9、图10，由图可见锚拉板式索梁锚固结构，索力以面荷载形式施加于锚垫板，锚垫板以端面承压形式传递给锚拉管，锚拉管通过其与锚拉板间的熔透焊缝传递到锚拉板，再由锚拉板与钢主梁腹板间对接焊缝直接传递到腹板，腹板上的力通过横隔板、顶板和底板，传递扩散给整个主梁。表2列出这种结构各个构件最大应力值和出现的位置，应力较多地集中在锚拉板中间部分，锚拉板与锚拉管焊缝连接区域下端(锚拉板开孔上圆角)出现了应力集中现象，达到448.2 MPa，但在很小区域内应力水平迅速扩散下降，大部分区域应力值小于230 MPa。

图9 锚拉板式索梁锚固结构Von Mises应力云图一(单位：kPa)

图10 锚拉板式索梁锚固结构Von Mises应力云图二(单位：kPa)

构件最大Von Mises应力/MPa对应位置锚拉板N1466.8 锚拉板开孔上圆角(即锚拉板与锚拉管焊缝下端)承压板N3131.0与锚拉板焊缝末端锚垫板N2344.5锚垫板承压面圆孔周缘锚拉管N6363.0与锚垫板焊接位置上套筒N799.7与上圆板接触面的内圆环处上圆板N497.2与锚拉管接触面的内圆环处加劲板N5122.8与上套筒焊接下端

通过比较2种常见索梁锚固形式的受力机理，可以看出锚拉板结构传力简洁，总体应力水平合理，但锚拉板与锚拉管间焊缝、锚拉板开槽的上圆角处出现了严重的应力集中，应力水平超过了材料的屈服强度，出现了小范围塑性区；索梁钢锚箱结构应力分布均匀、受力状态良好、传力均匀可靠，只有锚箱与纵腹板连接焊缝的端部等局部小范围区域出现了应力集中，但应力均小于材料的屈服强度。

4 结论

1) 针对斜拉桥索梁锚固结构中2种常见的钢锚箱式和锚拉板式构造，借助SolidWorks软件进行实体建模，完成了三维参数化可视驱动设计，相对二维设计更加高效精准。

2) 在索梁锚固结构的应力分析中，通过将SolidWorks建模和ANSYS分析有效结合，提高了建模效率和质量，简化了有限元分析工作。

3) 结合工程实例，通过三维参数化建模和有限元分析，总结比较了钢锚箱式和锚拉板式2种常见索梁锚固形式的结构构造、受力特点和传力机理，可为斜拉索索梁锚固结构的设计与分析提供参考。

[1] 张喜刚,刘玉擎.组合索塔锚固结构[M].北京:人民交通出版社,2010.

[2] 李小珍,蔡婧,强士中.大跨度钢箱梁斜拉桥索梁锚固结构型式的比较研究[J].土木工程学报,2004(3):73-79.

[3] 任伟平,强士中,李小珍,等.斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构传力机理及疲劳可靠性研究[J].土木工程学报,2006(10):68-73.

[4] 刘雯,宋绪丁,赵岩,等.斜拉桥索梁锚固区受力有限元分析及其优化设计[J].交通科技,2013(1):4-6.

[5] 董西军.基于SolidWorks的参数化设计[J].机械制造与自动化,2011(9):26-27.

[6] 王在伟,焦青.SolidWorks与ANSYS之间的数据交换方法研究[J].煤矿机械,2011(9):248-250.

[7] 喻钊,胡志坚,吴大健,等.大跨度混凝土主梁施工过程应力分析及防裂技术研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2016,40(6):1073-1077.